Restaurador De Movimentos

Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Gerência de Ensino e Pesquisa Departamento Acadêmico de Elétrica Curso Superior de Tecnologia Mecatrônica Industrial

DIEGO GOMES

RESTAURADOR DE MOVIMENTOS

Curitiba 2006 DIEGO GOMES

Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Gerência de Ensino e Pesquisa Departamento Acadêmico de Elétrica Curso Superior de Tecnologia Mecatrônica Industrial

RESTAURADOR DE MOVIMENTOS Trabalho acadêmico apresentado à disciplina Comunicação e Metodologia da Pesquisa do Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná, como requisito parcial para obtenção de nota e aprovação na matéria. ORIENTADORA: Profª. Maria Cristina Leite Gomes

Curitiba 2006

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS........................................................................................................iii 1. INTRODUÇÃO............................................................................................................01 2. PESQUISA..................................................................................................................03 3. FUNCIONAMENTO LÓGICO DO CONTROLE DOS ROBÔS COM A MENTE........07 4. VISÃO DE FUTURO...................................................................................................10 5. CONCLUSÃO.............................................................................................................11 REFERÊNCIAS...............................................................................................................12 ANEXOS.........................................................................................................................13

ii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Diagrama esquemático da disposição do elétrodo, 20.jan.2006.(Richard A. Normann's US Patent #5,215,088 Three-dimensional electrode device)........................05

Figura 2: Exemplo de EMGs.........................................................................................07 Figura 3: Funcionamento lógico do controle dos robôs com a mente (Wikipedia. 10.dez.2006. Acesso:................................08 Figura 4: Projeto futurista sobre neuropróteses.............................................................10

iii

1

1. INTRODUÇÃO

Até então sabemos, o sistema nervoso humano é muito mais complexo do que o de um macaco, mas dele provem decisões semelhantes. A explicação do comportamento humano, quando se tornar possível, será qualitativamente semelhante à explicação para a reação de um macaco quando se depara com certos estímulos. No cerne, estará a tradução de informações sensoriais, sua correlata interpretação, a tomada de decisão e a instrução para que os músculos entrem em ação, seja para se colocar em fuga quando em perigo ou para declamar sua paixão por outrem. Os cientistas ainda não sabem de que forma essas diferentes representações são geradas e como são usadas na tomada de decisões, porém a única certeza é de que isto é feito por intermédio de circuitos neurais. Sob certos aspectos, o sistema nervoso não passa de uma máquina – um conjunto de neurônios trabalhando juntos de forma extremamente complexa. Os neurônios enviam sinais do tipo “sim/não” para as células seguintes da cadeia de transmissão, informando simplesmente se o neurônio está ativo ou não. Contrastando com a simplicidade da mensagem, onde a intensidade da mesma é determinada pela rapidez com que os sinais são transmitidos, o sistema de sinalização dos neurônios envolve um complicado sistema eletroquímico que parece ser herdado através de seleção natural. As

representações

binárias

do

mundo

são

também

processadas

por

computadores, portanto isso aproxima o homem da maquina e uma linguagem comum entre os dois.Um exemplo é o aparelho construído no Salk Institute , o qual é capaz de transformar textos impressos em inglês falado, sendo capaz, ainda, de determinar a pronúncia correta de letras ou de grupos de letras que podem ser pronunciadas de várias formas. O último estágio do processo de seleção natural, constituído pela linguagem, copiado por uma máquina. Entretanto este computador pode ser usado como um modelo para o cérebro. Seus componentes estão dispostos em três níveis: um nível para ler o texto, um nível intermediário e um nível de saída, que gera os sons.

2

No homem, o cérebro evoluiu de modo a se constituir em um castelo de três andares, o qual tem, nos lobos frontais (córtex motor), no tronco encefálico e na medula espinhal os elementos importantes de cada uma dessas estruturas. As características apresentadas pelos neurônios, e em uma segunda instância pelo cérebro, levam-nos a considerar e comparar o cérebro humano com um computador. O que se conhece da estrutura do cérebro e dos neurônios aponta para uma estrutura integrada na qual o hardware (neurônios) e o software (sinapses) são inseparáveis. O fato dos neurônios se comunicarem uns com os outros apenas transmitindo a informação se está “ligado” ou “desligado” se assemelha ao modo como os computadores armazenam as informações. É possível demonstrar que uma célula capaz de integrar vários sinais de entrada pode simular todas as operações lógicas executadas pelos transistores e outros componentes nos computadores eletrônicos. Isso não demonstra que ambos são equivalentes, mas torna a metáfora atraente. Cálculos extremamente complicados são executados em ambos os sistemas. No exemplo citado anteriormente, a escolha por parte do macaco do comportamento apropriado ao se ver diante de um estímulo é resultado de um cálculo. Ainda não se sabe como isto é feito, mas a linguagem computacional torna a descrição possível: um circuito que transferisse sinais de “sim” de uma célula para outra se o total de informações justificasse tal transferência.

3

2. PESQUISA

Atualmente o número de pessoas com problemas motores tornou-se agravante e a cada ano esta quantidade de acidentes que provocam o ferimento do cabo espinhal vem aumentando, somando aproximadamente 11.000 casos neste ano só nos EUA (Nobunaga et al1.19992), diferenciados entre paralíticos parciais e totais. Estes casos adicionam a uma população já estimada de 200.000 no continente ocidental. Até muito recentemente a pressão principal da pesquisa básica sobre a restauração motora funcionava após os ferimentos do cabo espinhal com intuito na reconstrução da conectividade e a funcionalidade de fibras danificadas do nervo. Quando esta estratégia do reparo produziu resultados promissores, tais como restauração parcial da mobilidade do complexo sistema motor, tais como alcançar e agarrar remanesceu o desafio principal, iniciado em 1980, que abria a possibilidade de um método alternativo para restaurar comportamentos do motor em pacientes severamente paralisados, proposto por Schmidt3. Esta restauração manteve-se focada em relações diretas entre o cortical rompido e os centros subcortical do motor com atuadores artificiais que poderiam ser empregados “para contornar” os ferimentos do cabo espinhal de modo que os pacientes paralisados pudessem decretar suas intenções voluntárias do motor. A sustentação experimental inicial para um desvio cortical veio dos estudos conduzidos por Fetz4, que demonstrou que os macacos poderiam aprender ajustando seletivamente a taxa do acendimento dos neurônios cortical individuais para alcançar um nível particular da atividade da célula, se desde que com a realimentação sensorial sinalizasse o nível do acendimento neuronal. Com os diversos estudos recentes nos roedores, primatas e humanos reacendeu novamente o interesse em usar relações cérebro-máquina (BMIs), como um alternativo potencial para a reabilitação do cabo espinhal. Estas experiências demonstraram que 1

E outros Nobunaga AI, Go BK, Karunas RB (1999) Recent demographic and injury trends in people served by the model spinal cord injury care systems. Arch Phys Med Rehabil 80:1372–1382. 3 Schmidt EM (1980) Single neuron recording from motor cortex as a possible source of signals for control of external devices. Ann Biom Eng 8:339–349. 4 Fetz EE (1969) Operant conditioning of cortical unit activity. Science 163:955–957 2

4

os animais poderiam aprender utilizar sua atividade do cérebro para controlar os deslocamentos de cursores do computador de forma unidimensional (1D) ou movimentos tridimensionais (3D) de robôs simples (Chapin et al. 19995; Wessberg et al. 20006). Apesar destes resultadas iniciais serem ainda pouco compreendidos, diversas edições do funcionamento a respeito da operação de BMIs foram elaboradas e fizeram surgir interesse uma matéria de debate considerável. Embora a maioria concorde que um BMI projetado poder reproduzir movimentos de braço/mão, requer gravações em longo prazo e estáveis dos neurônios corticais (ou subcortical) com as disposições crônicas pelo implante do elétrodo7 (Nicolelis 20018, 20039; Donoghue 200210), e ainda existe a possibilidade de um desagravamento considerável em que tipo de sinal do cérebro (unidade, multiunit, ou potenciais do campo) estaria a entrada ótima para tal dispositivo. O grupo de pesquisa que propõe o uso da atividade single-unit que diverge quantas avaliações do eletrodo, se realmente deve ser pequeno (oito a trinta) ou (centenas aos milhares) duvida sobre quanto realmente a quantidade necessários para operar eficientemente um BMI por muitos anos. “Os implantes no cérebro, eletricamente estimulam ou gravam alguns grupos dos neurônios nesta área. Isto pode somente ser feito onde às associações funcionais destes neurônios são conhecidas. Por causa da complexidade do processar neural e da falta do acesso aos sinais de relacionado potencial da ação, usando técnicas neuroimagem, a aplicação de implantes do cérebro foi limitada seriamente até avanços recentes no poder processando do neurophysiology e do computador. A pesquisa na substituição sensorial fez também um salto no progresso nestes anos recentes." (traduzido) (Wikipedia,10.dez.2006.Acesso:

5

Chapin JK, Moxon KA, Markowitz RS, Nicolelis MAL (1999) Real-time control of a robot arm using simultaneously recorded neurons in the motor cortex. Nat Neurosci 2:664–670. 6 Wessberg J, Stambaugh CR, Kralik JD, Beck PD, Laubach M, et al. (2000) Real-time prediction of hand trajectory by ensembles of cortical neurons in primates. Nature 408:361–365. 7 Eletrodo é um mecanismo que registra os impulsos nervosos (de natureza electro-química). 8 Nicolelis MAL (2001) Actions from thoughts. Nature 409:403–407. 9 Nicolelis MAL (2003) Brain–machine interfaces to restore motor function and probe neural circuits. Nat Rev Neurosci 4:417–422. 10 Donoghue JP (2002) Connecting cortex to machines: Recent advances in brain interfaces. Nat Neurosci Supp 5:1085–1088.

5

Figura 1: Diagrama esquemático da disposição do elétrodo.

As introduções de quanto o sinal deve ser omitido e quanto tecido neuronal a provar são ligados à pergunta de que tipo de comandos do motor pode ser extraído da atividade do cérebro. Até agora, os estudos animais demonstraram a potencialidade de extrair um único parâmetro do motor (por exemplo, à trajetória da mão, posição e sentido de movimento) da atividade do cérebro a fim de operar um BMI. Quando se souber que a atividade neuronal cortical pode codificar uma variedade de parâmetros do motor, possivelmente as áreas corticais fornecerão melhor entrada para um BMI, projetado para restaurar características múltiplas da função do superior-membro. Um par dos laboratórios focalizou no córtex motor preliminar (M1) (Serruya et al. 200211; Taylor et al. 200212), um outro grupo selecionar do córtex parietal como a entrada principal a um BMI, os estudos precedentes sugeriram que, por causa da natureza distribuída do planeamento motor no cérebro, a amostra neural das áreas cortical frontal e parietal múltiplas deve poder ser empregada para operar tais dispositivos. Uma outra edição importante que receba pouca atenção é como a interposição de um atuador artificial (tal como um braço do robô) no laço de controle, impacta o BMI e o desempenho do mecanismo. Dois estudos precedentes relataram que os macacos aprendem operar um BMI closed-loop (BMIc) que usa o realimentador visual

11

Serruya MD, Hatsopoulos NG, Paninski L, Fellows MR, Donoghue JP (2002) Instant neural control of a movement signal. Nature 416:141–142. 12 Taylor DM, Tillery SI, Schwartz AB (2002) Direct cortical control of 3D neuroprosthetic devices. Science 296:1829–1832.

6

(implemento virtual), mas os animais nestes estudos não controlaram um atuador mecânico real. Finalmente, mais dados são precisos para avaliar a extensão, a relevância, e o comportamento médio da reorganização cortical que pode ser provocado pela operação de um BMIc. Uma possibilidade de tal reorganização é suportada por resultados da plasticidade nos neurônios M1 em uma tarefa da adaptação da força-campo (Li et al. 200113) e por um relatório inicial das mudanças na seletividade direcional em uma amostra pequena dos neurônios M1 durante a operação de BMIc (Taylor et al. 200214). Apresentando resultados de uma série de estudos em longo prazo em macacos para dirigir-se a diversas das edições fundamentais que dão forma atualmente ao debate em BMIs, demonstrou-se a primeira vez em que a habilidade da mesmo ensemble of cell15 na modalidade closed-loop poder controlar dois movimentos distintos de um braço robótico, alcançar e agarrar. Com estudos seguintes foi demonstrado como os macacos aprendem controlar um atuador robótico real usando um BMIc e também em como superam a dinâmica do robô e retornam ao mesmo nível do desempenho sem modificação da tarefa. Por fim, foi possível a comparação quantitativamente a contribuição de populações neural na área cortical múltiplas necessitada para criar este controle e analisar as mudanças durante a aprendizagem.

13

Li CS, Padoa-Schioppa C, Bizzi E (2001) Neuronal correlates of motor performance and motor learning in the primary motor cortex of monkeys adapting to an external force field. Neuron 30:593–607. 14 Taylor DM, Tillery SI, Schwartz AB (2002) Direct cortical control of 3D neuroprosthetic devices. Science 296:1829–1832. 15 Rede neural.

7

3. FUNCIONAMENTO LÓGICO DO CONTROLE DOS ROBÔS COM A MENTE

A primeira pesquisa aplicando o dispositivo BMIc, apresentou resultados promissores, foi quando o macaco, Belle16, conseguiu mover o braço-robô com o pensamento, possível graças a quatro conectores de plástico ligavam um feixe de microfios muito finos ao seu córtex. O sistema funcionava quando o animal decidia mover o joystick17 para a direita ou para a esquerda, a fim de acompanhar um comando luminoso, fazendo com que os microfios detectarassem os sinais elétricos produzidos pelos neurônios ativados do córtex e os transmitiram a uma harvey box de dispositivos eletrônicos. A caixa recebe, filtra e amplifica os sinais, que foram transmitidos, e os sinais recebidos pela caixa podem ser mostrados como um raster plot. Cada fileira representa a atividade de um neurônio durante o processo e as barras coloridas indicam o momento em que o neurônio emite uma descarga elétrica.

18

Figura 2 - EMGs de superfície dos músculos do braço gravados na tarefa 1 (esquerdo) do pólo e o controle do cérebro sem lotes (direitos) do alto dos movimentos do braço.

O computador prevê a trajetória que o braço e em segue convertendo a informação em comandos para que o mesmo movimento seja produzido por um braçorobô. O computador servidor então envia os comandos ao computador que opera o robô. Ao mesmo tempo, transmite os comandos para outro computador. Assim os dois braços-robô se movem em sincronia com o braço do primata.

16

Macaquinha cobaia de neuropróteses do laboratório de neurofisiologia da Universidade de Duke. Manche 18 Atividade elétrica em uma população de fibras de músculo. 17

8

Figura 3 – Funcionamento lógico do controle dos robôs com a mente.

Análises matemáticas revelaram que a exatidão dos movimentos do robô era mais ou menos proporcional ao número de neurônios registrados. Essa relação linear, no entanto, começava a desaparecer com o aumento do número. Com cem neurônios, pode-se criar trajetórias de mão para o robô semelhantes em 70% às produzidas pelos macacos e para conseguir um índice de exatidão de 95% na previsão de movimentos de mão unidimensionais, seriam suficientes apenas entre 500 a 700 neurônios, dependendo da região do cérebro de onde saía a amostragem. O necessário é calculando o número de neurônios necessários para movimentos tridimensionais com alto índice de exatidão. Esses resultados sugerem que a "mensagem" definidora de um determinado movimento de mão está amplamente disseminado no interior de cada área do córtex, e com os dados das pesquisas prevê-se que com apenas 100 neurônios será o suficiente para o uso da neuroprótese (ICM) destinada a pacientes paralisados, menos neurônios que se pensava. Explorando mais essa descoberta, observou-se em outras cobaias a mesma atividade e maior eficácia na manipulação motora do braço, e a partir de reforçados treinos consecutivos a movimentação do braço robô foi possível apenas com o pensamento.

9

Além desta independência motora a partir de certo tempo o implante continua registrando grande quantidade de neurônios diários, isso oferece que os feixes de microfios podem oferecer sinais multicanais de alta qualidade em longo prazo. É possível com estes êxitos que os tecidos neuroniais do cérebro sejam dedicados a operar o robô e a interpretar as informações que chegam por ele, o que será razoável esperar que o mesmo ocorra no cérebro de um paraplégico, encaminhando neurônios que antes serviram um membro natural para a operação de um artificial. “Se as sensações visuais e tácteis imitarem as informações que fluem normalmente entre o braço e o cérebro de Aurora, é possível que a interação a longo prazo com uma ICM estimule o cérebro a incorporar o robô às representações do animal sobre seu corpo - um esquema que sabemos existir na maior parte das regiões do cérebro. Ou seja, o cérebro de Aurora pode passar a perceber o mecanismo artificial como uma parte do corpo. É possível até que tecidos neuroniais do cérebro sejam dedicados a operar o robô e a interpretar as informações que chegam por ele.” (NICOLELIS, Miguel, 06.nov.2002)

Cada progresso mostra como o cérebro é capaz de se transformar. Mas sempre haverá limites. Não parece provável, por exemplo, que a vítima de um derrame possa ter controle completo sobre um membro-robô.

10

4. VISÃO DE FUTURO

Pode chegar um dia que uma interface cérebro-máquina ajuda uma pessoa que se tornou paralítica em conseqüências de lesões na espinha. Pequenos feixes de Microfios , implantados em diversas áreas do córtex motor do cérebro, seriam ligados a um neurochip no crânio. Quando a pessoa imaginar seu braço paralisado movendo-se de determinada maneira, como, por exemplo, para apanhar alimento numa mesa à sua frente, o chip transformará seu pensamento numa série de sinais, em freqüência de radio e os enviará por comunicação sem fio a um computador operado por bateria, pendurado nas costas da cadeira de rodas, como uma mochila. O computador converterá os sinais em comandos motores e os enviará, também por comunicação sem fio, a outro chip, implantado no braço da pessoa. O segundo chip estimulará os nervos necessários para que os músculos do braço da pessoa.se movam da maneira desejada. Outra possibilidade é o de que o computador-mochila controle diretamente o motor e a direção da cadeira de rodas, obedecendo ao pensamento da pessoa sobre para onde quer movimentá-la. Pode ser ainda que o computador envie seus sinais para um braço robótico que substitui um braço natural ou para um braçorobo montado na cadeira.

Figura 4 – Projeto futurista sobre neuropróteses.

11

5. CONCLUSÃO

Ratos e macacos cujos cérebros foram ligados a computadores controlaram alavancas e braços robóticos simplesmente imaginando que seus membros estavam pressionando barras ou mexendo num joystick. Isso se tornou possível pelos avanços na área de microfios que podem ser implantados no córtex cerebral e pelo desenvolvimento de algoritmos capazes de traduzir a atividade elétrica de neurônios do cérebro em comandos que controlam dispositivos mecânicos. Os testes de interfaces cérebro-máquina aperfeiçoados em seres humanos ainda estão distantes, mas a tecnologia poderá ajudar no futuro pessoas que tenham perdido um braço a controlar um substituto robótico com a mente ou ajudar pacientes com lesões na espinha a recuperar o controle de um membro.

12

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Actions from Thoughts. M.A.L. Nicolelis, em Nature, Volume 409, páginas 403-407, 2001.

Alexander GE, Crutcher MD (1990) Neural representations of the target (goal) of visually guided arm movements in three motor areas of the monkey. J Neurophysiol 64:164– 178.

Facure, N.O. (2001). O cérebro e a mente. Uma conexão espiritual. Editora Fé.

Nicolelis MAL (2003) Brain–machine interfaces to restore motor function and probe neural circuits. Nat Rev Neurosci 4:417–422.

Nicolelis MAL, Dimitrov D, Carmena JM, Crist R, Lehew G, et al. (2003) Chronic, multisite, multi-electrode recordings in macaque monkeys. Proc Natl Acad Sci U S A 100:11041–11046.

WIKIPEDIA.

Enciclopédia

e

Dicionário

Ilustrado.

Disponível

em:

Disponível

em:

http://eng.wikipedia.org/wiki/Brain_implant Acesso em: 7 dez. 2006.

WIKIPEDIA.

Enciclopédia

e

Dicionário

Ilustrado.

http://en.wikipedia.org/wiki/Brain-machine_interface Acesso em: 6 nov. 2006.

NICOLELIS, Miguel. Neurolog. Como a Neurociência vai unir Durham, Lausanne, São Paulo,

Natal

e

Kyoto,

nov.2006

Disponível

http://g1.globo.com/Noticias/Colunas/0,,7401,00.html> .Acesso em: 27 nov.2006.

em:<

13

ANEXOS ANEXO 1.

Neurocientista brasileiro Miguel Nicolelis, um dos 50 líderes de 2004, premiação concedida pela revista Scientific American para indivíduos e instituições que se destacaram no campo da pesquisa, dos negócios ligados à tecnologia e da política científica.

ANEXO 2. Ficção sobre implantes cerebrais

Anime & Manga Glost in The Shell enfoca a tecnologia neural no aumento do cyberbrain. Envolve a implementação de computadores poderosos diretamente no cérebro, dando a uma pessoa uma capacidade de memória vastamente aumentada. Os usuários podem também iniciar uma conversação "telepática" com um outro usuário do cyberbrain, apenas pensando. Mais informações em:.

14

ANEXO 3. Diálogo

com

05/features/the-brain/>

Richard

Andersen

de


15